紅外探測器正瞄準(zhǔn)長波長應(yīng)用

得益于來自人眼桿狀細(xì)胞方面的靈感，聚焦載流子增強(qiáng)傳感器實(shí)現(xiàn)了將大面積高效吸收層與納米探測機(jī)制相結(jié)合。

紅外光譜通常能提供超出人眼視覺范圍的觀察能力。紅外探測器已在許多應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，特別是在從不同角度觀察物體的較不明顯特征方面，紅外探測器已經(jīng)成為不可或缺的工具。人們對紅外探測技術(shù)的研究從未止步，研究人員始終在嘗試使用更多的材料來探索不同的紅外探測方法[1]。紅外探測技術(shù)方面取得的穩(wěn)步進(jìn)展不斷要求更好、更靈敏的探測器來滿足應(yīng)用需求，甚至需要終極的光子傳感器——單光子探測器。

單光子探測器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子——光子。單光子探測器可以對單個(gè)光子進(jìn)行探測和計(jì)數(shù)，在許多可獲得的信號(hào)強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級(jí)的新興應(yīng)用中，單光子探測器可以一展身手。利用類似于人眼桿狀細(xì)胞的光探測機(jī)理，美國西北大學(xué)和伊利諾斯州大學(xué)的研究小組已經(jīng)開發(fā)出了紅外單光子聚焦載流子增強(qiáng)傳感器（FOCUS）。該裝置有望在生物光子學(xué)、醫(yī)學(xué)影像、非破壞性材料檢查、國土安全與監(jiān)視、軍事視覺與導(dǎo)航、量子成像以及加密系統(tǒng)等方面取得廣泛應(yīng)用。

紅外探測的挑戰(zhàn)

紅外探測器面臨的最大挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建一個(gè)具有足夠高信噪比的裝置。為做到這一點(diǎn)，探測器應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)：能夠有效地吸收某一特定波長的光、噪聲能量應(yīng)當(dāng)?shù)陀谛盘?hào)能量、能夠與具有類似低噪聲特性的讀出電子元件相耦合。對于紅外單光子探測器來講，這些要求更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)閱喂庾拥男盘?hào)能量小于1阿焦（1阿焦=10-18焦），將波長增加到長波紅外（LWIR）以及遠(yuǎn)紅外（FIR）波段后，單個(gè)光子具有的能量會(huì)更低，這會(huì)引發(fā)更多的問題。

此外，如果要在任何波段實(shí)現(xiàn)有效吸收，必須要求吸收層（垂直于光傳輸方向）的寬度與所吸收的特定波長相當(dāng)。因此，在長波紅外和遠(yuǎn)紅外波段，器件的尺寸在幾微米到幾十微米的尺度內(nèi)。然而，要想將電子噪聲降到低于光子能量，器件的尺寸要降到納米尺度。由于單光子能量極低并且波長較長，這使得低噪聲、高效率的長波紅外單光子探測器的制作非常困難。

源自人眼桿狀細(xì)胞的靈感

隨著人們對單光子紅外探測器的不懈研究，目前已經(jīng)出現(xiàn)了專門的p-i-n探測器、雪崩光電探測器（APD）、單電子晶體管探測器以及超導(dǎo)（邊緣轉(zhuǎn)換）探測器。在這些探測器中，雪崩光電探測器是無需低溫冷卻的固態(tài)單光子探測器的首選。但是，兼容紅外的雪崩光電探測器面臨許多問題，包括由雪崩增益統(tǒng)計(jì)性質(zhì)導(dǎo)致的噪聲增長、隨機(jī)觸發(fā)的后脈沖、以及在所需的強(qiáng)電場下隧穿造成的暗電流的增長[2]。因此，雪崩光電探測器的應(yīng)用僅限于一些同步系統(tǒng)，并且這些系統(tǒng)具有特別的猝熄電路，允許在極短的時(shí)間內(nèi)施加高擊穿電壓。

為了克服固態(tài)單光子探測器所面臨的問題，研究小組從本質(zhì)上對現(xiàn)有的單光子探測器進(jìn)行了研究。由于具備一種稱為桿狀細(xì)胞的特定光敏細(xì)胞，使人眼具有探測單光子的能力[3]。桿狀細(xì)胞對弱光下的灰度視覺十分敏感，這主要是因?yàn)樗鼈兏缓环N叫做視網(wǎng)膜紫質(zhì)的特殊分子[4]。桿狀細(xì)胞的結(jié)構(gòu)以及視網(wǎng)膜紫質(zhì)在細(xì)胞中的排列能夠提供龐大的吸收體積，進(jìn)而能夠有效地俘獲光子。此外，視網(wǎng)膜紫質(zhì)分子與其他一系列催化劑和信使分子一起，在信號(hào)被神經(jīng)系統(tǒng)的噪聲降質(zhì)之前的放大過程中，發(fā)揮著重要作用。研究人員試圖復(fù)制這種人類視覺系統(tǒng)的工作原理，來實(shí)現(xiàn)有效的單光子探測。

FOCUS系統(tǒng)開發(fā)

盡管納米尺度特征可以提供諸如超低電容以及量子效應(yīng)等有吸引力的特性，但它們的填充因子較低，從而妨礙了其對光進(jìn)行有效的吸收。FOCUS傳感器除了具有納米尺度的傳感特征外，還利用較大的吸收體積來模仿桿狀細(xì)胞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作（見圖1）。

圖1. 該圖為聚焦載流子增強(qiáng)探測器（FOCUS）裝置的掃描電子顯微成像以及橫截面圖，顯示了極為靈敏的納米注入?yún)^(qū)以及大面積的厚吸收體積